پژوهش‌گران بتازگی دریافته‌اند مولکول‌های آبی که در کانال‌های کوچک بدام می‌افتند به شکل یک برهم‌نهی کوانتومی تار (Blurry) - متشکل از شش ترکیب‌بندی-  ظاهر شده و شباهت اندکی به ساختار یک مولکول آزاد دارند. این نتیجه حاصل تلاش  فیزیک‌دانانی از ایالات متحده و انگلستان است که از پراکندگی نوترونی برای نقشه‌برداری از موقعیت اتم‌های هیدروژن در مولکول‌های آب استفاده کرده‌اند؛ مولکول‌هایی که در بریل (beryl )  معدنی به دام افتاده‌اند. براساس این مشاهدات٬ اتم‌ها مابین این شش ترکیب‌بندی تونل زنی می‌کنند. این پژوهش‌گران همچنین دریافته‌اند که برخلاف آب عادی٬ ممان الکتریکیِ یک مولکول به دام افتاده صفر است. این پژوهش می‌تواند از چگونگیِ رفتار آب هنگام محدودشدن در فضای کوچک (همچون گرفتار شدن در غشایی از سلول‌های زنده) نیز پرده بردارد.

تونل‌زنی یک پدیده‌ی کاملاً کوانتومی است که در آن یک ذره قادر است بدون آنکه انرژی کافی برای گذشتن از یک سد انرژی را داشته باشد از آن بپرد. پیش‌تر پژوهش‌گران مشاهده کرده‌اند که اتم‌های هیدروژن از یک بخش از یک مولکول به بخش دیگر تونل‌نی می‌کنند. برای مثال در گروه‌های متیل و آمونیا٬ تونل‌زنی به شکل چرخش اتم‌های هیدروژن حول محور یک مولکول نمایان می‌شود. اکنون الکساندر کلِسینکُف (Alexander Kolesnikov) از آزمایشگاه ملی اوک ریج و همکارانش در ایالات متحده و انگلستان از تونل‌زنی اتم‌های هیدروژن در تک‌موکلول‌های آبی که در کانال‌های کوچک در درون بریل معدنی بلورین به دام افتاده بودند٬ نقشه‌برداری کرده‌اند.

کانال‌های کوچک

این کانال‌های کوچک حدود ۵/۰ نانومتر پهنا دارند و این یعنی در یک زمان تنها یک مولکول آب می‌تواند در آن‌ها‌ وجود داشته باشد. مطالعاتی که پیش‌تر در مورد طیف‌سنجی تراهرتزی این پدیده انجام یافته پیشنهاد می‌دهد که تونل‌زنی چرخشی هیدروژن٬ در آبِ بدام افتاده در بریل رخ می‌دهد و اکنون کلِسینکُف و همکارانش این اثر را در دو آزمایش‌ نوترونی جداگانه اندازه‌ گرفته‌اند. یکی از این آزمایش‌ها در چشمه نوترون اسپالاسیون (SNS) در اوک ریج و دیگری در چشمه‌ی نوترونی ISIS در آزمایشگاه رادرفورد اپلتون در انگلستان انجام یافته است.

درچشمه‌ی SNS پرتویی از نوترون‌های کم‌انرژیِ سرد٬ بسوی مولکول‌های آبِ بدام افتاده در بریل شلیک شده‌اند. نوترون‌ها به محض پراکنده شدن و با جفت‌شدن گذارهای مابین حالات چرخشیِ اتم‌های هیدروژن ممکن است انرژی بدست آورده و یا از دست بدهند. این رویداد‌ها به طیف انرژی نوترون با هفت پیک مجزا منجر می‌شود. این آزمایش‌ها در دماهای مابین ۵ تا ۵۰ کلوین انجام شده که با گرم‌شدن نمونه‌ها٬ پیک‌ها تضعیف شده‌اند و اگر این پیک‌ها مربوط به تونل‌زنی باشند این رویداد همان‌چیزی است که انتظار می‌رود. چون وقتی دما افزایش می‌یابد٬ افزایش حرکت حرارتی اتم‌ها هرگونه اثر تونل‌زنی کوانتومی را از پا در می‌آورد.

تقارن مرتبه‌ی شش

یک کانال بریل شبیه یک لوله‌ی شش‌گوش است و این تیم پژوهشی بر شکل V مانند مولکول آب اتکا کرده‌اند (دو اتم هیدروژن که به یک راس اکسیژنی وصل شده است) که اتم اکسیژن آن در مرکز لوله جا خواهد گرفت و دو اتم هیدروژن آن به سمت بالا و پایین صفحه‌ی شش‌گوش جهت‌گیری خواهند کرد (شکل را ببینید). شش راه مختلف برای جهت‌گیری این شکل V وجود دارد که هرکدام با چرخش ۶۰ درجه‌ای از هم جداشده‌اند. اگرچه یک سد انرژی مابین این ترکیب‌بندی‌ها وجود دارد اما اتم‌های هیدروژن قادرند از یک جهت‌گیری به جهت‌گیری دیگر تونل‌زنی کنند و درنتیجه طیفی از حالات چرخشی را بوجود آورند. محاسباتی که توسط این تیم انجام گرفته نشان می‌دهد که هفت پیک مشاهده‌شده در پراکندگی نوترونی با گذارهای بین این حالت‌های تونل‌زنی چرخشی متناظر است.

این پژوهش‌گران همچنین به چگونگی جایگزیده ساختن اتم‌های هیدروژن علاقه‌مند شده و با استفاده از پراکندگی عمیق نوترونی غیرکشسان (DINS) در چشمه‌ی نوترونی ISIS در انگلستان این جایگزیدگی را اندازه‌گیری کرده‌اند. این تیم با شلیک پرتویی از نوترون‌های با انرژی بالا بسوی مولکول‌های آب به دام افتاده‌ی در بریل و اندازه‌گیریِ انتقال ممان بین نوترون‌ها و تک‌مولکول‌های هیدروژن٬ توزیع ممنتوم و انرژی جنبشی این اتم‌ها را تعیین کرده‌اند. کلسینکف و همکارانش دریافتند که انرژی جنبشی این اتم‌ها حدود ۷۰ درصد مقداری است که برای آب به دام نیافتاده اندازه‌گیری شده است.

بر اساس گفته‌ی این پژوهش‌گران که در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز آورده‌اند٬ مولکول‌های بدام افتاده «حالت جدیدی از مولکول آب» هستند. این حالت‌ّها حلقه‌ی تاری با تقارن چرخشی مرتبه‌ی شش هستند. این تیم معتقد است چنین مولکولی نبایستی ممان دوقطبی الکتریکی داشته باشد. یک مولکول آب بدام نیافتاده ممان دوقطبی الکتریکی دارد و همین امر دلیل ویژگی‌های آشنای آب (همچون نقطه‌ی جوش نسبتا بالا) و توانایی آن در حل بسیاری از مواد است. این پژوهش جدید می‌تواند سرنخ مهمی برای چگونگی رفتار متفاوت آب وقتی در فضاهای کوچکی (همچون غشای یاخته‌های زنده) محدود می‌شود را فراهم کند.

درباره‌ی نویسنده:

هامیش جانستون (Hamish Johnston) ویراستار سایت physicsworld.com است.

منبع:

Physicists discover new state of the water molecule